DE2363088B2

DE2363088B2 - Koronaentladungselektrode zur Erzeugung einer negativen Koronaentladung

Info

Publication number: DE2363088B2
Application number: DE2363088A
Authority: DE
Inventors: Thomas Herman Dobbs Ferry Distefano; Robert Benjamin Laibowitz; Robert Rosenberg
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-12-26
Filing date: 1973-12-19
Publication date: 1975-11-27
Also published as: CA1087241A; IT1001174B; GB1438995A; US3813549A; JPS4991652A; FR2211775B1; JPS5326970B2; DE2363088A1; FR2211775A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Koronaentladungselektrode zur Erzeugung einer negativen Koronaentladung, insbesondere zur gleichförmigen Aufladung fotoleitfähiger Schichten, aus einem Kern mit zumindest elektrisch leitender Oberfläche und einer Beschichtung aus dielektrischem, anorganischem Material.

Beschichtete Elektroden sind mehrfach bekannt. So ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 35 66 108 eine Koronaentladungselektrode bekannt, die aus vielen einzelnen Fasern aufgebaut ist, die dann insgesamt mit einer leitfähigen Schicht bedeckt sind. Von dieser Schicht geht dann die Koronaentladung aus. Weiterhin ist aus der US-Patentschrift 36 12 864 eine Drahtelektrode bekannt, die mit hygroskopischem Material oder einer Mischung aus hygroskopischem Material und einem hydrophilen Binder beschichtet ist. Weiterhin ist es aus der US-Patentschrift 30 75 078 bekannt, Elektrodendrähte in Form einer Raupe umeinander zu wickeln, um dadurch viele einzelne Erhebungen auf der Elektrode zu erzielen, von der aus die Koronaladung ausgeht. Diese vielen einzelnen Erhebungen dienen dazu, daß insbesondere bei Zuführung negativer Spannung an die Elektrode eine möglichst gleichförmige negative Ladung auf dem zu ladenden Substrat, meist eine photoleitfähige Schicht, zu erzeugen. Weiterhin ist aus der US-Patentschrift 36 34 726 eine Koronaer.tladungselektrode bekannt, die mit organischem oder anorganischem dielektrischem Material beschichtet ist. Das Schichtmaterial hat eine Stärke zwischen 0,01 und 0,1 mm. Diese Koronaentladungselektrode wird mit Wechselspannung hoher Frequenz betrieben.

Mit diesen bekannten Elektroden kann jedoch in der Praxis kein zufriedenstellendes Ergebnis bei der Aufladung von Substraten mit negativer Ladung und bei Aufwand von möglichst wenig Potential erzielt werden. Diesen bekannten Elektroden und Koronaentladungsvorrichtungen haftet der schwerwiegende Nachteil ;in, daß bei Beaufschlagung mit negativer Spannung die Koronaentladung nicht gleichförmig erfolgt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Elektrode, die in der Lage ist, auch bei Beaufschlagung mit negativem Potential eine gleichförmige negative Laduiig zu erzeugen. Insbesondere soll diese Elektrode bei Verwendung in einem elektrophotographischen Kopiergerät zur Erzeugung negativer Ladung auf der photoleitfähigen Schicht entlang der gesamten Länge des Drahtes eine gleichförmige Koronaentladung abgeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei der beschichteten Elektrode der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Kern bzw. seine Oberfläche aus einem fü; die Herstellung von Oxidkathoden bekannterwtise geeigneten Metall besteht und die Beschichtung eine Schichtstärke im Bereich von 1000 Angström und einen spezifischen Widerstand von mehr als 10³Ohm · cm aufweist.

Geeignete Metalle zur Herstellung von Oxidkathoden sind hinlänglich aus der Röhrentechnik bekannt. Mit Hilfe dieser erfindungsgemäß gestalteten Elektrode läßt sich eine gleichförmige negative Ladung von Substraten erreichen, weil durch den hohen spezifischen Widerstand der Schicht eine gleichmäßige Korona um die Elektrode entsteht. Ein weiterer besonderer Vorteil liegt bei der erfindungsgemäßen Anordnung darin, daß bei Auftreten von Rissen oder Fehlstellen in der isolierenden Außenschicht das freiliegende Metall bei Vorhandensein von Korona ein Oxid bildet, welches die Risse und die Fehlstellen der äußeren Schicht füllt und somit einen selbstheilenden Effekt für die Elektrode darstellt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

An Hand der nachfolgenden Beschreibung und der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele ist im folgenden die Erfindung näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen

F i g. 1 in schematischer Darstellung die Feldverteilung entlang der Länge eines aus dem Stand der Technik bekannten Koronaelektrodendrahtes über dem Erdpotential,

F i g. 2 schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäß gestalteten Elektrode, bei der eine gleichmäßige mit hohem spezifischem Widerstand behaftete Außenbeschichtung um einen Elektrodendraht aus einem Oxidkathoden-Metall angeordnet ist, um die Elektrode zu bilden,

F i g. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Koronaelektrodenanordnung in einem elektropholographischen Kopiergerät mit den erfindungsgemäß ausgestalteten Elektroden.

Wie bereits erwähnt, werden negative Koronaentladungsverrichtungen in vielen elektropholographischen Kopiergeräten verwendet. Die negative Koronaentladungsvorrichtung wird dazu benutzt, der photoleitfähigen Schicht eine negative Ladung zuzuführen, um sie für die Erzeugung eines elektrostatischen latenten Bildes vorzubereiten. Dieses elektrostatische latente Bild

wird durch Ablagerung von elektroskopischem Material sichtbar gemacht. Bei dieser technologie besteht das große Problem darin, daß die Korona um die Entladungselektrode oft inhomogen entlang der Länge des Elektrodendrahtes ist, was in der Ungleichtörmigkeit des Drahtes begründet liegt. Auf Grund dieser Ungleichförmigkeit des Drahtes ist die Koronaentladung inhomogen und die daraus resultierende ungleichförmige Aufladung der photoleitfähigen Schicht verursacht Streifen und Fehler auf der schließlich sichtbaren Kopie.

Insbesondere resultiert die Ungleichförmigkeit der Koronaentladung aus der Störung des elektrischen FeI-ues um den Elektrodendraht, verursacht durch Ladungswolken. Die Entladung wird durch feldinduzierte Injektion von Elektronen vom Draht in den Raum initiiert.

In F i g. 1 ist eine schematische Darstellung gezeigt, die die Feldverteilung entlang der Länge eines typischen, aus dem Stand der Technik bekannten Eleklrodendrahtes 10 dargestellt, der über einer geerdeten Platte 12 angeordnet ist. Die Ladungsteilchen, positive Ionen und negativen Ionen sind wie in der Figur dargestellt gekennzeichnet. Die durch die Entladung erzeugten negativen Ionen wandern langsam vom Draht 10 zu der Gegenelektrode der geerdeten Platte 12, wie in F i g. 1 dargestellt. Insbesondere formt die negative lonenwolke 14 ein elektrostatisches Schild, das die ganze Länge des Drahtes 10 abdeckt. Über dem größten Teil der abgeschirmten Bereiche erscheint kein Koronaglimmen wegen des reduzierten Oberflächenfeldes am Draht. Obwohl die Äquipotentiallinien, wie in F i g. 1 dargestellt, gestört sind, ist am Elektroneninjektionspunkt in die Korona ein Plasmaglimmen vorhanden. Der feldfreie Bereich des Plasmaglimmens, verstärkt deswegen das Feld an dem Punkt der Elektroneninjektion und deshalb wird die Injektion an diesem Punkt weiterhin erfolgen. Dieser regenerative Vorgang erzeugt Koronaentladung an mehreren kleinen Punkten entlang des Drahtes mit dunklen Zwischenräumen dazwischen, wie dies durch die Bezeichnung hohes Feld und niedriges Feld dargestellt ist. Die Koronapunkte wandern entlang des Drahtes, bis sie sich stabilisiert haben in solchen Bereichen, wo die Bedingungen auf der Drahtoberfläche die Entladung erleichtern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es wegen der Elektrode mit der gleichförmigen dielektrischen Beschichtung möglich, daß das Plasmaglimmen gleichmäßig entlang der Gesamtlänge des Drahtes auftritt. Die Beschichtung wirkt als begrenzender Widerstand, der das Oberflächenfeld an Punkten hoher Strominjektion vermindert. Wenn die Beschichtung einen genügend hohen Widerstand hat, dann wird jeder Punkt hoher Strominjektion für die Koronaentladung weniger geeignet sein, als die umgebenden sogenannten dunklen 5s Bereiche niedrigerer Feldstärke. Deshalb erstreckt sich das Koronaglimmen 16 über den ganzen Draht gleichförmig und deckt diesen ab. Diese Vorgänge sind in F i g. 2 näher erläutert.

F i g. 2 zeigt schematisch eine Feldverteilung entlang der Länge eines Koronadrahtes 18, der eine gleichförmige Beschichtung 20 aus einem Material hohen elektrischen Widerstandes aufweist. Ein elektrisches Feld über der Schicht 20 am Punkt der hohen Stromzuführung erniedrigt das Oberflächenfeld an diesem Punkt. F i g. 2 zeigt insbesondere Äquipotentialflächen um den Punkt hoher Strominjektion. Potentialabfälle über die Beschichtung 20 am Koronapunkt, das Koronaglimmen ist durch die Beiugsziffer 22 angedeutet, erniedrigt das Oberflächenfeld an diesem Punkt der Elektrode. Die Beschichtung 20 muß gleichförmig und frei von Rissen und Fehlstellen sein, um einwandfrei zu arbeiten. Bei der vorliegenden Erfindung wird Jeder Riß oder jede Fehlstelle, die auftritt durch einen Selbstheilungsprozeß beseitigt In den Rißbereichen kommt das unter der Beschichtung 20 liegende Oxidkathoden-Metall mit der umgebenden Atmosphäre in Berührung und verwandelt sich bei Anwesenheit von Koronaentladung in Plasma. Dadurch wird eine Oxydation des chemisch aktiven Metalls erzeugt. Das Oxidkathoden-Metall des Koronadrahtes 18 bildet bei Oxydation an diesen Rißorten dann einen Flicken in der Beschichtung, der einen hohen Widerstand aufweist. Die Beschichtung der Elektrode sollte einen spezifischen Widerstand aufweisen, der größer als 10^J Ohm ■ cm ist. Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Beschichtung 20 anfänglich amorph und rißbeständig ist.

Die Beschichtung 20 soll weiterhin aus einem Material bestehen, das nicht leicht abplatzt, so daß die Beschichtung während des Betriebes nicht entfernt wird.

Wie bereits erwähnt, soll der Koronadraht 18 aus aktivem Oxidkathoden-Metall sein, um den selbstheilenden Effekt durch die Oxydierung dieses Metalls bei Rißauftriu und Fehlstellenauftritt oder sonstigen verletzten Bereichen zu ermöglichen, die in der Beschichtung 20 auftreten können, um somit die Gleichförmigkeit dieser Schicht wiederherzustellen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, kann die Entladungselektrode, wie in F i g. 2 dargestellt, aus einem Koronadraht 18 aus einem Metall bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Tantal. Niob. Zirkon, Hafnium, Wismut, Wolfram, Antimon sowie jedes andere, aktive Oxidkathoden-Metall enthält, ilas im Plasma oxydiert, um ein Widerstandsoxid für selbstheilende Zv/ecke zu erzeugen. Die im vorstehend genannten Metall können einzeln oder in Kombination verwendet werden.

In der Praxis wurde eine Koronaelektrode gemäß der Erfindung aus Tantal hergestellt, wobei für das Drahtelement 18 in F i g. 2 ein Durchmesser von etwa 0,0125 cm gewählt wurde. Der Tantaldraht 18 wurde dann einem Anodisierungsprozeß unterworfen, um ein Oxid (Ta2Os) in einer Dicke von etwa 1000 Ä herzustellen. Dazu wurde eine Anodisierungs-Abätztechnik wiederholt angewendet, wobei der Tantaldraht t:ntcr Spannung in einen geeigneten Elektrolyten verbracht wurde und zwischen dem Draht und einer Kathode zur Oxydierung ein Potential angelegt wurde. Das entstehende Oxid wird durch Abätzen entfernt und die Anodisierung beginnt wieder, bis schließlich durch wiederholte Oxydation eine Tantaloxidschicht hergestellt ist. die die gewünschte Gleichmäßigkeit aufweist. Die abschließende Anodisierung des Tantaldrahtes wird durch Verbindung der beiden Elektroden der elektrolytischen Zelle, des Drahtes und der Kathode, mit einer Konstantstromquelie erreicht, um die gewünschte Enddickc der Oxidbeschichtung 20 zu erreichen.

Der Elektrodendraht 18 kann, was in F i g. 2 nicht dargestellt ist, auch aus einem inneren Kern aus rostfreiem Stahl, gehärtetem Stahl oder Wolfram bestehen, der durch eines der im vorstehend genannten Oxidkathoden-Metalle, wie beispielsweisp Tantal, umgeben ist, um auf diese Weise eine Dreischichtstruktur zu erreichen.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung kann selbstheilende Koronaelektrode mit gleichförmiger Be-

schichtung einheitlich hohen Widerstandes aus dem Oxid des inneren Elektrodendrahtes durch ein Anodisierungsverfahren hergestellt werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode kann diese mit einer gleichförmigen Beschich-♦.ung 20 versehen werden, die aus amorphen, halbleitcnden Schichten aus Siliziumnitrid (S13N4) oder Siliziumdioxid (S1O2) bestehen, die auf einem Draht mit einer Oberfläche aus Oxidkathoden-Metall, wie beispielsweise Tantal, aufgebracht ist. Wenn Risse in der äußeren Beschichtung auftreten, dann ist die Elektrode selbstheilend durch Aufbau von Tantaloxid oder Aluminiumoxid, Ta2O5 bzw. AI2O3.

F i g. 3 zeigt generell eine Anordnung in Draufsicht, in der mehrere Koronaentladungselektroden, die in F i g. 2 und im Zusammenhang mit dieser beschrieben sind, parallel angeordnet sind, um eine Koronaentladungsvorrichtung aufzubauen, die in einem elektrostatischen Kopiergerät verwendet werden kann.

Mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgebildeten Koronaentladungselektrode wird eine wesentliche Verbesserung der gleichförmigen Aufladung von Substraten, insbesondere photoleitfähigen Schichten, erzielt durch die gleichförmige Koronabildung an dieser Elektrode. Weiterhin ist vorteilhaft, daß bei Auftreten von Rissen oder Fehlstellen die Elektrode selbstheilend ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Koronaentladungselektrode zur Erzeugung einer negativen Koronaentladung, insbesondere zur s gleichförmigen Aufladung fotoleitfähiger Schichten, aus einem Kern mit zumindest elektrisch leitender Oberfläche und einer Beschichtung aus dielektrischem, anorganischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18) bzw. seine Oberfläche aus einem für die Herstellung von Oxidkathoden bekannterweise geeigneten Metall besteht und die Beschichtung (2C) eine Schichtstärke im Bereich von 1000 Angström und einen spezifischen Widerstand von mehr als 10³ Ohm · cm aufweist.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (20) durch anodische Oxidation des darunterliegenden Metalls gebildet ist.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall für den Kern, bzw. seine leitende Oberfläche, aus der Gruppe mit den Metallen Tantal, Niob, Zirkon, Hafnium, Wismut, Wolfram und Antimon ausgewählt ist.

4. Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18) seinerseits einen Kern aus Stahl oder Wolfram aufweist.

5. Elektrode nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (18), bzw. seine Oberfläche aus Tantal oder Aluminium und die Beschichtung (20) aus einer amorphen, halbieitenden Schicht aus Siliziumnitrid (SiiN-i), oder Siliziumdioxid (S1O3) besteht.